(57)【要約】【課題】フランジと配管との溶接において、無駄な歪修正を不要とし、プレス設備や技能を要する修業等を不要とし、品質の向上および製造コストの大幅な低減が図れるようにする。【解決手段】中心部に配管挿入用の開口孔１２を有し、この開口孔に挿入される配管１３の先端に溶接される円盤状の配管継手用フランジであって、配管１３との溶接時に発生が想定される溶接歪の向きと反対の向きに、想定される溶接歪と同量の逆歪が施され、これにより溶接前状態において配管の軸心に対し非垂直となるフランジ面１１ａ，１１ｂが形成され、実溶接時には溶接歪により逆歪が打消されてフランジ面が配管１３の軸心に対し垂直となる構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に配管挿入用の開口孔を有し、この開口孔に挿入される配管の先端に溶接される円盤状の配管継手用フランジであって、前記配管との溶接時に発生が想定される溶接歪の向きと反対の向きに、前記想定される溶接歪と同量の逆歪が施され、これにより溶接前状態において前記配管の軸心に対し非垂直となるフランジ面が形成され、実溶接時には溶接歪により前記逆歪が打消されて前記フランジ面が前記配管の軸心に対し垂直となる構成としたことを特徴とする配管継手用溶接歪吸収フランジ。
【請求項２】
前記逆歪は、前記フランジの開口孔の径よりも数ｍｍ大径側の位置に発生する溶接歪発生起点を折曲点とする板厚方向に沿う一定角度の傾斜であり、前記溶接歪発生基点から内径側のフランジ面が前記配管の軸心に対し垂直面とされ、前記溶接歪発生起点から外径側のフランジ面が前記配管の軸心に対し傾斜面とされている請求項１記載の配管継手用溶接歪吸収フランジ。
【請求項３】
前記フランジはステンレス鋼製であり、前記溶接歪発生起点におけるフランジ面の傾斜角度は前記配管の軸心に対し９０．５°〜９３°に設定されている請求項２記載の配管継手用溶接歪吸収フランジ。
【請求項４】
前記フランジは炭素鋼であり、前記溶接歪発生起点におけるフランジ面の傾斜角度は前記配管の軸心に対し９０．５°〜９２°に設定されている請求項２記載の配管継手用溶接歪吸収フランジ。
【請求項５】
前記フランジの傾斜方向におけるフランジ面上に、前記溶接歪発生起点を通り、かつ前記フランジの中心と同心円上に沿う配置でリング状の凹溝が形成されている請求項２から４までのいずれかに記載の配管継手用溶接歪吸収フランジ。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれかに記載の配管継手用溶接歪吸収フランジを用いて構成した配管継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラント、化学プラント等の各種工業用プラントに適用される配管継手用フランジに係り、特に配管との溶接時に発生する溶接歪を溶接前に施した逆歪により吸収して品質向上等を図った配管継手用溶接歪吸収フランジおよび同フランジを使用した配管継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術について、図６〜図８を参照して説明する。図６は、溶接前における従来の溶接継手用フランジと、このフランジが溶接される配管とを示す断面図であり、図６は、図５に示したフランジの右側面図である。図８は、溶接直後における配管とフランジとの接合状態を示す断面図である。
【０００３】
図６および図７に示すように、プラント配管の継手用として適用されている従来のＪＩＳ規格化フランジ１は、円盤状で、両側のフランジ面１ａ，１ｂが平行かつ歪曲等のない平板状をなしている。このフランジ１の中心部に、配管３を挿入するための開口孔２が穿設されている。
【０００４】
配管継手の製造時においては、図８に示すように、配管３の先端部がフランジ１の開口孔２に未貫通位置まで挿入され、第１の溶接部４として、配管３の先端面の外周付近とフランジ１の開口孔２の内周面とが周方向に沿って溶接され、第２の溶接部５として、配管３の線端部付近の外周面とフランジ１の一方のフランジ面１ａとが周方向に沿って溶接される。
【０００５】
このような従来の配管継手６においては、第１の溶接部４がフランジ１の開口孔２の内周面内に位置しており、第２の溶接部５がフランジ１の一方のフランジ面１ａ側に位置しているので、溶接熱は一方のフランジ面１ａに多量に供給され、これと反対側の他方のフランジ面１ｂに与えられる熱量は相対的に少ない。
【０００６】
したがって、この配管継手６においては、溶接時に多量の熱量が供給された一方のフランジ面１ａ側の冷却による収縮が多くなり、溶接歪が発生する。この溶接歪により、フランジ１には配管挿入側の一方のフランジ面１ａ側が凹形状となり、他方のフランジ面（シール面）１ｂ側が凸側となるような弓なりの変形が発生する。すなわち、従来技術では、溶接作業が完了して、常温まで自然冷却されるに伴い、溶接部４，５に熱収縮による溶接歪が発生し、溶接後のフランジ１が変形する。
【０００７】
なお、フランジ継手溶接方法としては、ＴＩＧ溶接法、ＭＡＧ／ＭＩＧ溶接法、または被覆アーク溶接法が適用され、これらの溶接方法により施工することが行われているが、いずれの溶接方法においても上述した溶接歪による変形現象が発生する。また、この溶接歪（変形）は、熱伝導が小さく熱がこもり易いステンレス鋼材の場合に特に大きい傾向を示すが、ステンレス鋼材に限らず、炭素鋼材のほとんどの材質においても発生する。
【０００８】
この溶接歪の発生を防止する方法として、これまでには、フランジ１の接合面（シール面）となる片面（他方のフランジ面１ｂ）側に板厚方向の変形防止用円板を抱き合わせ、互いの外周部を仮溶接して、フランジ継手溶接を行う方法、あるいはペアとなるフランジ継手６同士の接触面に数ｍｍの円板を挟み、互いのフランジをボルトで締め上げて、逆歪（予想される溶接変形側の反対側に向けた溶接前の変形）を施した状態でフランジ継手溶接を行う方法等が行われている。
【０００９】
しかし、これらの方法では治具の製作手間が掛かる割りに、十分な変形防止が図れない場合が多く、また均一な溶接入熱量とする技能を必要とする。さらに、母材に対しては、強制拘束による残留応力増大、あるいは硬度上昇などの品質低下、および製造コストの上昇を招く要因となっている。
【００１０】
一方、このような歪防止方法を講じない状態で、フランジ継手溶接を行い、発生した溶接歪をプレス修正する方法や、ガスバーナーで加熱し、いわゆる「灸法」によって修正する方法も知られている。ところが、前者のプレス修正による方法では、配管形状やサイズに制約を受け、後者の灸法による修正方法は、オーステナイト系ステンレス鋼等には採用できないなどの問題がある。
【００１１】
このため、これまで最も多く採用されているのは、変形部分を機械加工によって除去する方法（くるい取り方法）である。しかし、この方法では、修正加工をする熟練技能を必要とし、しかも無駄な追加工程により加工工程が増大する。
【００１２】
なお、配管継手以外の技術分野、例えばコ字型素材と蓋板とを溶接する角形鋼管の製造技術分野においては、蓋板溶接による鋼管の軸直角方向への歪である弓なり変形を防止して真直な角形鋼管を製造することを目的として、蓋板をコ字型素材に溶接する前に、予めコ字型素材に溶接変形に見合う逆歪を付与しておき、蓋板溶接時の熱吸収量とキャンセルさせることが提案されている（特許文献１参照）。
【００１３】
しかし、この方法は、単に角形鋼管が長手方向に沿って歪む単純な弓なり変形を全体的に防止するだけであり、部分的かつ複雑なフランジ溶接の変形防止には適用することができない。
【特許文献１】特開平７−３１４１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、従来の技術では、均一な溶接入熱量とする技能や、修正加工をする熟練技能を必要とし、しかも無駄な追加工程により加工工程が増大する。さらに、母材に対しては、強制拘束による残留応力増大、あるいは硬度上昇などの品質低下、および製造コストの上昇を招く要因となっている。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上述の要因を排除し、品質の向上と同時に、製造コストの低減を図り、有効に溶接歪を吸収することができる配管継手用溶接歪吸収フランジを提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明はフランジ部の残留応力が小さく高品質の配管継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、中心部に配管挿入用の開口孔を有し、この開口孔に挿入される配管の先端に溶接される円盤状の配管継手用フランジであって、前記配管との溶接時に発生が想定される溶接歪の向きと反対の向きに、前記想定される溶接歪と同量の逆歪が施され、これにより溶接前状態において前記配管の軸心に対し非垂直となるフランジ面が形成され、実溶接時には溶接歪により前記逆歪が打消されて前記フランジ面が前記配管の軸心に対し垂直となる構成としたことを特徴とする配管継手用溶接歪吸収フランジを提供する。
【００１８】
すなわち、溶接時に発生が想定される溶接歪の向きおよび量は、配管とフランジとの溶接箇所および溶接熱量によって特定することができる。配管の端部がフランジの一方のフランジ面側から接合される場合、上述した従来例により説明したように、一方のフランジ面側への入熱量が多いことから、溶接歪の発生によるフランジの変形は、冷却時の収縮が大きく作用する一方のフランジ面側である。したがって、一方のフランジ面側が溶接部付近において凹となるような変形が発生する。そこで、本発明においては、逆歪として、他方のフランジ面側が溶接部付近を境として凹となるような傾斜変形を予め施すものである。
【００１９】
また、多くの試験の結果、溶接歪は、フランジの径方向における略１箇所を基点として発生することが確認された。この溶接歪発生基点は、配管挿入用の開口孔の径よりも数ｍｍ大径側の位置である。したがって、フランジにおける溶接歪発生基点よりも内径側のフランジ面の部分には逆歪を施す必要がない。そこで、逆歪により変形を生じさせる部位は、溶接歪発生基点よりも外径側の範囲とするものである。
【００２０】
この点に鑑み、請求項２に係る発明では、前記逆歪は、前記フランジの開口孔の径よりも数ｍｍ大径側の位置に発生する溶接歪発生起点を折曲点とする板厚方向に沿う一定角度の傾斜であり、前記溶接歪発生基点から内径側のフランジ面が前記配管の軸心に対し垂直面とされ、前記溶接歪発生起点から外径側のフランジ面が前記配管の軸心に対し傾斜面とされている請求項１記載の配管継手用溶接歪吸収フランジを提供する。
【００２１】
なお、プラントに応じ、配管継手用フランジの材料にはステンレス鋼または炭素鋼等が適用される。そして、継手溶接時に発生するフランジの溶接歪による傾斜角度の大きさは、材質によって相違することから、逆歪の角度は材質に応じて特定することが望ましい。
【００２２】
請求項３に係る発明では、前記フランジはステンレス鋼製であり、前記溶接歪発生起点におけるフランジ面の傾斜角度は前記配管の軸心に対し９０．５°〜９３°に設定されている請求項２記載の配管継手用溶接歪吸収フランジを提供する。
【００２３】
請求項４に係る発明では、前記フランジは炭素鋼であり、前記溶接歪発生起点におけるフランジ面の傾斜角度は前記配管の軸心に対し９０．５°〜９２°に設定されている請求項２記載の配管継手用溶接歪吸収フランジを提供する。
【００２４】
上述した請求項２〜４の発明において付与された逆歪が、実溶接時の溶接歪により打消され、全てのフランジ面が配管の軸心に対して垂直となった場合、多くの試験の結果、溶接前には凹側面であったフランジ面の溶接歪発生起点に、平坦面の一部が隆起するような変形が発生することが認められた。この隆起状の変形が存在したままでは、ペアとなる他の継手用フランジと接合する場合に、隆起状変形部分同士の接合によりシール性が低下する可能性がある。この場合、変形部分を後の機械加工等によって除去すると、余分な追加工程が必要となる。そこで、予め隆起状の変形が発生するフランジ面にリング状の凹溝を形成しておくことにより、フランジの周方向全体に亘って隆起状の変形の発生を防止することができる。このような処理を施しておくことにより、シール性能の優れたフランジを得ることができ、追加工程も不要となる。また、溶接歪発生起点にリング状の凹溝を形成することにより、実溶接時に発生する曲げ応力が凹溝の表面部分において拡散状態となり、応力の１点集中状態が解消される。この結果、予め施した逆歪を打消してフランジ面が平坦となる際のフランジ材の曲げ作用が一様に行われるようになる。これにより、溶接後のフランジ面の配管軸心に対する垂直度の設定が高精度で行えるようになるとともに、残留応力の減少も図れるようになる。
【００２５】
そこで、請求項５に係る発明では、前記フランジの傾斜方向におけるフランジ面上に、前記溶接歪発生起点を通り、かつ前記フランジの中心と同心円上に沿う配置でリング状の凹溝が形成されている請求項２から４までのいずれかに記載の配管継手用溶接歪吸収フランジを提供する。
【００２６】
上述したフランジの適用により、残留応力が小さく高品質の配管継手を構成することが可能となる。
【００２７】
そこで、請求項６に係る発明では、請求項１から４までのいずれかに記載の配管継手用溶接歪吸収フランジを用いて構成した配管継手を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、フランジに予め付与された部分的な逆歪によって、実溶接時にフランジの一部に発生する溶接歪が打消され、冷却後は全く歪曲のない状態でフランジが配管の軸心に対して垂直に接合される。したがって、均一な溶接入熱量とする技能や、修正加工をする熟練技能等を必要とすることなく、また無駄な追加工程による加工工程が増大することもなく、しかも母材に対して強制拘束による残留応力増大、あるいは硬度上昇などの品質低下、および製造コストの上昇を招くことなく溶接歪を吸収することができ、配管継手の品質向上と同時に、製造コストの低減が図れるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態による配管継手用溶接歪吸収フランジの中央部拡大断面図である。図２は、同フランジとこれに溶接される配管とを示す部分断面図であり、図３は、図２に示したフランジの右側面図である。図４は、フランジと配管との溶接直後の状態（配管継手として構成された状態）を示す断面図である。
【００３１】
図１〜図３に示すように、本実施形態のフランジ１１は基本的には従来と同様に、円盤状で、中心部に配管１３を挿入するための開口孔１２を有するものである。但し、本実施形態のフランジ１１は、従来の全体的に平坦な構造と異なり、配管１３との溶接時に発生が想定される溶接歪の向きと反対の向きに、想定される溶接歪と同量の逆歪が予め施され、実溶接時には溶接歪により逆歪が打消されてフランジ面が配管の軸心に対し垂直となる構成とされている。
【００３２】
このフランジ１１の逆歪は、従来のＪＩＳ規格化されたフランジに発生する溶接歪の観察結果に基づいて定めたものであり、本実施形態では具体的に、フランジ１１の径方向の一部を基点とし、その基点よりも外径側の部分を板厚方向に所定角θだけ度傾斜させることによって施されている。
【００３３】
詳述すると、溶接歪は、上述した従来例において示したように、配管の先端面の外周付近とフランジの開口孔の内周面とが周方向に沿って溶接される第１の溶接部と、配管のフランジから外部に出た部分における外周面とフランジの一方の側面であるフランジ面とが周方向に沿って溶接される第２の溶接部とに基づいて発生する。そして、これらの溶接部は、フランジの一方の側面側に多くの溶接熱を供給するため、各フランジ面に与えられる熱量が偏在し、フランジに溶接歪による変形が生じていたものであった。そして、この結果として、フランジには配管挿入側の一方のフランジ面側に傾くような弓なりの変形が発生していた。
【００３４】
そこで、本実施形態では、このような溶接歪の逆歪として、フランジ１１の径方向における１点を基点として、それよりも外径側におけるフランジ面１１ａ，１１ｂを、配管１３が挿入される側と反対側に向けて、溶接歪と同量の逆歪として、配管１３の軸心Ｏに対し一定角度θの傾斜を与えている。
【００３５】
この傾斜の基点として、本実施形態では試験の結果に基づき、フランジ１１における「溶接歪発生起点Ｐ」を求めた。すなわち、多くの試験の結果、フランジ１１は口径に応じてそれぞれ略一定の径方向位置に溶接歪が発生する基点を有することがわかった。この溶接歪が発生する起点は、配管挿入用の開口孔１２の直径Ｄ０よりも一定長さδ（数ｍｍ（３〜８ｍｍ））の大径側位置に存在していた。この溶接歪の発生する基点Ｐを、以下、「溶接歪発生起点Ｐ」という。
【００３６】
この溶接歪発生起点Ｐから外径側のフランジ面１１ａ，１１ｂを、配管の軸心Ｏに対し一定角度θ傾斜させた逆歪を設定すると、実溶接時の溶接歪を打消すことができることがわかった。この結果に基づき、本実施形態のフランジ１１は、配管挿入用の開口孔１２の直径Ｄ０よりも一定長さδだけ大径側の位置に、溶接歪発生起点Ｐを有し、この溶接歪発生起点Ｐから内径側のフランジ面１１ｃ，１１ｄは、配管の軸心Ｏに対し垂直とされており、溶接歪発生起点Ｐから外径側のフランジ面１１ａ，１１ｂは、配管１１の軸心Ｏに対し一定角度θだけ傾斜しているものとした。このような逆歪の加工には、ＮＣ旋盤、マシニングセンターなど、種々の手段を適用することが可能である。
【００３７】
図５は、本実施形態における逆歪を与えるための歪角度と、配管１３の口径についての材質別グラフを示したものであり、ステンレス鋼と炭素鋼とについて、歪角度（縦軸）と口径（横軸）とを変化させた場合を示している。
【００３８】
この図５に示すように、ステンレス鋼製のフランジ１１の場合には、対応する配管口径規格１００Ａ〜４００Ａ（フランジの開口孔径１００ｍｍ〜４００ｍｍ）について、９０．５°〜９３°の溶接歪発生起点におけるフランジ面の溶接歪角度の変化が見られた。また、炭素鋼製のフランジ１１の場合には、対応する配管口径規格１００Ａ〜４００Ａ（フランジの開口孔径１００ｍｍ〜４００ｍｍ）について、９０．５°〜９２°の溶接歪発生起点におけるフランジ面の溶接歪角度の変化が見られた。すなわち、ステンレス鋼製のフランジ１１の溶接歪角度の変化が炭素鋼に比して大きいことが分かる。
【００３９】
これに対応して、本実施形態では、フランジ１１がステンレス鋼製の場合には、溶接歪発生起点Ｐにおけるフランジ面の傾斜角度θが、配管の軸心Ｏに対し９０．５°〜９３°に設定されている。また、フランジが炭素鋼製の場合には、溶接歪発生起点Ｐにおけるフランジ面の傾斜角度θが配管の軸心Ｏに対し９０．５°〜９２°に設定されている。
【００４０】
次に、本実施形態では、フランジ１１の傾斜方向におけるフランジ面１１ｂ上に、溶接歪発生起点Ｐを通り、かつフランジの中心と同心円上に沿う配置でリング状の凹溝１４が形成されている
この凹溝１４の断面形状は、図１に示したように、応力が緩和されるＲ加工（円形加工）により、緩やかな曲面とすることが望ましい。但し、図示しないが緩やかな曲面であれば断面角形の溝としてもよい。
【００４１】
図４は、フランジ１と配管２とが、溶接部１５，１６により溶接された後の状態を示している。この図４に示すように、溶接後の配管継手１７においては、実溶接歪により逆歪が打消されてフランジ１１の傾斜が戻され、ほぼ垂直なフランジ面１１ａ，１１ｂが得られた。すなわち、従来例のような溶接部の溶接後の冷却によるフランジの片側（非溶接端面側）が凸側となるような弓なり変形が発生しない。この場合、フランジ継手溶接の工程において、フランジ１１の開口孔１２内に配管１３を挿通して溶接し、自然冷却後、溶接歪により、対をなすフランジ同士が平行な角度となり、歪修正工程が不要となった。
【００４２】
本実施形態におけるフランジ加工角度は、管口径、材質、板厚により異なるが、予め溶接試験により付与すべき角度と範囲とを決定することができる。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、フランジ１１の予想される歪の発生方向と反対の方向に逆歪を施し、実溶接時に発生する溶接歪により逆歪としての傾斜を打消し、ほぼ垂直なフランジ面１１ａ，１１ｂを得るようにし、フランジ１１の中央からシール面における数ｍｍの範囲までが垂直平面で、変形が想定される外周範囲に逆歪角度が施され、フランジ１１における、溶接歪発生起点Ｐとなる位置に、リング状の凹溝１４を形成したことにより、実溶接時に発生する溶接歪を利用して形状を戻し、溶接後のフランジ面１１ａ，１１ｂを垂直状態とするようにしたことにより、従来行われていた無駄な歪修正が不要となった。したがって、プレス設備や技能を要する修業等が不要となり、品質の向上および製造コストの大幅な低減が図れるようになった。
【００４４】
また、本実施形態の配管継手用溶接歪吸収フランジを用いて構成した配管継１７は、溶接時の残留応力が低減し、極めて高品質となった。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明によれば、フランジを予め予想される試験データより、サイズ毎に逆歪を施し、実溶接時に発生する溶接歪を利用して、形状を戻し、溶接後のフランジ面を垂直に近い状態にするようにして逆歪付き溶接フランジを製造することができる。したがって、無駄な歪修正が不要となるため、プレス設備や技能を要する修業等が不要となり、品質の向上および製造コストの大幅な低減が図れるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態による溶接前フランジ形状を示す拡大断面図。
【図２】本発明の一実施形態による溶接前フランジおよび配管の溶接前状態を示す断面図。
【図３】図１に示したフランジの右側面図。
【図４】本発明の一実施形態による溶接後におけるフランジ形状を示す断面図。
【図５】本発明の一実施形態による歪角度と口径の材質別グラフ。
【図６】従来例による溶接前フランジ形状を示す断面図。
【図７】図６に示したフランジの右側面図。
【図８】従来例による溶接後のフランジ形状を示す断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１１  フランジ
１１ａ，１１ｂ  フランジ面
１２  開口孔
１３  配管
１４  リング状凹溝
１５  溶接部
１６  溶接部
１７  配管継手
Ｏ  配管の軸心
Ｐ  溶接歪発生起点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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